石英砂深度提純路上的“攔路虎”——?dú)庖喊w知多少

原標(biāo)題：石英砂深度提純路上的攔路虎——?dú)庖喊w知多少

石英玻璃因具有優(yōu)越的物理、化學(xué)性能，越來越多的被廣泛作為光電源、光通訊、航天、軍工等領(lǐng)域的尖端材料。隨著高科技的不斷發(fā)展，對石英玻璃原料——石英砂的純度要求越來越高。然而石英砂中通常含有大量結(jié)構(gòu)組成性雜質(zhì)，比如氣液包裹體和雜質(zhì)離子，這些結(jié)構(gòu)組成性雜質(zhì)是形成石英玻璃氣泡、雜質(zhì)缺陷的主要因素。但是，現(xiàn)有工藝技術(shù)難以根本消除此類缺陷。因此，氣液包裹體和羥基水(OH)-的去除是實(shí)現(xiàn)提純石英礦石代替水晶制備高端石英玻璃原料的關(guān)鍵與難點(diǎn)之一。

石英砂中的氣液包裹體是什么

石英礦在生長過程中，部分液體和氣體在石英晶體內(nèi)部被包裹起來，稱其為氣液包裹體，一般氣液包裹體都是由氣相和液相所組成的二相體，主要包含有H2O、CO2、H2、O2、N2、CH4、CO等。在包裹體中的液相占整體的比例稱為填充度。通常填充度大于60%被稱為液體包裹體，填充度小于60%為氣液包裹體。

用國產(chǎn)石英礦替代水晶生產(chǎn)石英玻璃中，氣液包裹體含量的多少，直接影響著其性質(zhì)的優(yōu)越程度。石英砂中流體雜質(zhì)主要是以流體包裹體為主，包括了石英表面所吸附的氣體和以分子或離子狀態(tài)溶解在石英結(jié)構(gòu)中的氣體雜質(zhì)。

在流體包裹體雜質(zhì)中，羥基的水分子含量占最主要的部分。根據(jù)水的存在形式可以分為兩大類，一類是吸附水，以游離的狀態(tài)吸附于石英砂表面。這類水可以通過升溫干燥的方式去除。另一類是結(jié)構(gòu)水，即石英晶體結(jié)構(gòu)當(dāng)中的羥基，這一類水去除的難度較大。

石英中的水含量會(huì)影響石英玻璃的透明度，水和其他氣體共同作用會(huì)降低石英玻璃的軟化溫度、粘度、擴(kuò)散系數(shù)、機(jī)械性能、分相和析晶性能等。

天然石英中另一類含量比較大的流體雜質(zhì)是含碳化合物，即CO2、CO、CxHy、CxHyOH等。CO2主要源自富含CO2的包裹體；高溫狀態(tài)下，CO的析出大都是含炭物質(zhì)與SiO2相互作用而產(chǎn)生的，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生水。

石英砂中流體雜質(zhì)的存在形式及主要成分

如何去除石英砂中的氣液包裹體

機(jī)械破碎法

石英晶體中的氣液包裹體大小一般在1~50μm之間。從理論上只要石英礦石被破碎足夠細(xì)，就會(huì)除去石英礦石中大部分氣液包裹體。在一般情況下，石英礦石中較大的氣液包裹體都會(huì)在機(jī)械破碎中除去。但是由于各類產(chǎn)品對原料石英砂的粒徑有一定的要求，所以這種方法對于較大的氣液包裹體有一定的效果，但是對于那些較小的氣液包裹體基本無效，且無法剔除金屬雜質(zhì)。

高溫氯化脫氣法

將石英砂加熱到1000-1200℃并在高溫的條件下通入Cl2和HCl氣體，這種方法是利用在高溫條件下Cl2和雜質(zhì)離子發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)生成的氣態(tài)鹽類可以從石英晶體微裂紋處排出從而達(dá)到提純的效果，這種方法對石英中的羥基有一定去除效果。美國尤尼明公司在2006年利用高溫氯化脫氣法制備的高純石英砂對氣液包裹體的去除效果明顯，其IOTA系列高純石英砂在全球處于領(lǐng)先水平。

酸堿差異腐蝕法

酸堿差異腐蝕法是通過石英晶體與金屬雜質(zhì)和氣液包裹體在酸和堿的腐蝕下有著不同的腐蝕速率，從而使其去除金屬雜質(zhì)和氣液包裹。但是，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到一定程度時(shí)部分的雜質(zhì)就不再受酸堿差異的影響，導(dǎo)致石英晶體中的氣液包裹體不能被徹底的去除。這也說明酸堿差異腐蝕對金屬雜質(zhì)和氣液包裹體有效果，但作用也有一定限度。

熱或冷爆裂法

冷或熱爆裂法是通過加熱石英晶體，使其處于高溫的條件下，則石英晶體與其中的氣液包裹體界面將會(huì)產(chǎn)生極大的壓力差。這個(gè)壓力差將會(huì)使石英晶體內(nèi)的氣液包裹體炸裂，從而使石英晶體內(nèi)的氣液包裹體達(dá)到去除的效果。

微波法

利用微波選擇性加熱特性去除石英礦中氣液包裹體。俄羅斯科研人員的研究表明：石英礦在微波場的作用下加熱到500℃時(shí)，礦物中的氣液包裹體個(gè)數(shù)從9159個(gè)降低到992個(gè)，去除效果十分明顯。然而這只是簡單的對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并沒有進(jìn)一步探究微波場作用石英的機(jī)理及石英在微波場中的熱裂行為。

小結(jié)

地殼中石英礦的儲量相當(dāng)豐富，如果能夠采用有效工藝手段將石英高度除雜、提純，制備成高純石英砂，那么其對石英玻璃行業(yè)發(fā)展的推動(dòng)作用是空前的。但是，目前最為關(guān)鍵的難題是石英中的結(jié)構(gòu)性雜質(zhì)的去除，尤其是氣液包裹體的去除。

氣液包裹體含量對石英玻璃的質(zhì)量好壞及透明度的高低至關(guān)重要，如何選擇原料礦和如何有效地去除石英砂中氣液包裹體是制備高純石英玻璃原料的關(guān)鍵。現(xiàn)有的研究結(jié)果表明去除氣液包裹體的各種技術(shù)手段都有一定的局限性。因此，最有效的手段就是探尋含結(jié)構(gòu)性雜質(zhì)較少（尤其是氣液包裹體）的石英礦，作為石英玻璃的礦源，并進(jìn)一步探尋新的去除氣液包裹體工藝技術(shù)。

參考來源：

肖嘉凱：替代水晶砂之國產(chǎn)石英砂中ppm級雜質(zhì)剔除的研究

劉泰榮：酸浸輔助微波場去除石英砂中氣液包裹體的研究

李靜：微波和酸蝕作用去除石英砂中氣液包裹體及機(jī)理研究返回搜狐，查看更多

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